101 Serie: Ethernet – zurück zu den Grundlagen

31. Juli 2019/101-Serien

Vor mehr als 40 Jahren hat Bob Metcalfe dieses einfache Diagramm veröffentlicht, das seine Erfindung für die Verbindung von Computern und Druckern im Xerox Palo Alto Research Center in Kalifornien erklärt. Sein patentiertes Multipoint-Datenverbindungssystem mit Kollisionserkennung wurde später als Ethernet bekannt.

Seit der Erfindung des Ethernets und der Möglichkeit für Computer, Informationen zu kommunizieren und auszutauschen, hat sich unsere Welt drastisch verändert. Wenn Sie so alt sind wie ich, haben Sie erlebt, wie sich all die Technologien entwickelten – von E-Mail und Internet bis hin zu Mobiltelefonen und sozialen Medien. Mit Ethernet als faktische Wahlmöglichkeit für die Übertragung von Daten halten viele von uns seine Funktionalität für selbstverständlich, ohne wirklich zu verstehen, wie es funktioniert.

Die Funktionsweise

Ethernet sendet Informationen an und von Geräten in Frames, deren Größe üblicherweise 64 bis 1518 Byte beträgt. Es gibt auch erweiterte (oder Jumbo-) Frames für den Versand größerer Datenmengen, da die Verarbeitung von Daten in einem Frame effizienter ist als die Aufteilung in mehrere kleine Frames.

Ethernet-Frames umfassen eine Präambel, die die Ankunft eines Frames ankündigt und es dem Sender und Empfänger erlaubt, eine Verbindung herzustellen. Das 1 Byte lange Framestart-Trennzeichen (Start of Frame Delimiter, SFD) wird häufig als Teil der Präambel betrachtet und zeigt einfach den Beginn des Frames an.

Zwei der wichtigsten Teile des Ethernet-Frames sind die Ziel- und Quelladressen, die die MAC-Adresse des Empfangsgeräts und die MAC-Adresse des Sendegeräts enthalten. MAC-Adressen (MAC steht für „Media Access Control“ – Medienzugriffskontrolle) sind eindeutige Identifikationsnummern, die in den Netzwerkkarten jedes im Netzwerk befindlichen Geräts integriert sind.

Das Feld „Length“ (Länge) des Frames teilt dem Empfangsgerät mit, wie groß der Frame ist. Das Feld „Data“ (Daten) enthält die tatsächlich übertragenen Daten (manchmal auch als Payload bezeichnet). Der letzte Teil des Frames ist der CRC-Wert (CRC steht für „Cyclic Redundancy Check“ – zyklische Redundanzprüfung), der die Frame-Prüfsequenz enthält, mit deren Hilfe man beschädigte Daten erkennen kann.

Der Übertragungsweg

Um Frames von einem Gerät zu einem anderen zu übertragen, verwendet Ethernet die Technologie „Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection“ (CSMA/CD), das bedeutet so viel wie „Überträgerwahrnehmung, Mehrfachzugriff mit Kollisionserkennung“.

Überträgerwahrnehmung ist einfach gesagt die Erkennung des Netzwerks und aller übertragenen Signale, sodass ein Gerät weiß, wann es für das Senden bereit ist. Mehrfachzugriff beschreibt die Tatsache, dass alle Geräte im Netzwerk alle Frames empfangen und die Zieladresse überprüfen. Kollisionserkennung ist die Möglichkeit für ein Gerät, zu erkennen, dass es versucht hat, Informationen zum selben Zeitpunkt wie ein anderes Gerät zu übertragen und die Übertragung einstellt, um die Informationen erneut zu übertragen, wenn es für das Senden bereit ist. Diese erneuten Übertragungen verwenden eine zufällige Pause und beinhalten Neuversuche, um zu vermeiden, dass Geräte weiterhin kollidieren.

Während der erste Ethernet-Entwurf von Metcalfe mit nur wenigen Geräten durchaus umsetzbar war, kam es zu Problemen, als die Anzahl der Geräte stieg, die versuchten, Informationen in einem einzelnen Netzwerksegment zu übertragen: Es kam zu mehr Kollisionen, zu „Datenstau“ in Netzwerken und zu langsamen Übertragungsgeschwindigkeiten. Um die Überlastung zu reduzieren, müssen Netzwerksegmente in mehrere Segmente aufgeteilt werden, die Informationen aneinander weiterreichen. Hier kommen Switches ins Spiel.

Ethernet-Switches empfangen alle Ethernet-Übertragungen und leiten sie an das richtige Segment (d. h. an den richtigen Link) für die Zieladresse weiter. So können mehrere Geräte in einem Netzwerk gleichzeitig kommunizieren. Mit Ethernet-Switching kam auch die Möglichkeit, Daten gleichzeitig über Vollduplex-Ethernet zu senden und zu empfangen. Da Geräte in einem modernen Switch-Netzwerk nur mit dem Switch und nicht miteinander kommunizieren, müssen die meisten Geräte keine Kollisionen mehr erkennen.

Frames, Pakete und Schichten

Beim Thema Ethernet-Übertragung werden die Begriffe Frame und Paket häufig synonym verwendet. Sie bezeichnen jedoch nicht dasselbe. Frames werden verwendet, um mithilfe von MAC-Adressen Informationen zwischen zwei Knoten im selben Netzwerk zu übertragen und werden auf Schicht 2 des OSI-Modells generiert.  Im Gegensatz dazu werden Pakete auf Schicht 3 generiert und für die Übertragung von Informationen zwischen verschiedenen Netzwerken verwendet.

Wenn Sie mit dem OSI-Modell (OSI steht für „Open Systems Interconnection“) nicht vertraut sind, es handelt sich um das 7-Schichten-Rahmenwerk, das beschreibt, wie ein Netzwerk funktioniert. Die oberste Schicht 7 ist die Anwendungsschicht, die im Wesentlichen das enthält, womit der Benutzer direkt interagiert (z. B. MS Office). Schicht 6 ist die Darstellungsschicht, in der Daten für das Netzwerkformat vorbereitet werden (z. B. Verschlüsselung). Schicht 5 ist die Kommunikatiosschicht, in der zwei Knoten dafür eingerichtet werden, miteinander zu kommunizieren. Schicht 4 ist die Transportschicht, die die Übertragung von Daten koordiniert, die Datenrate festlegt und eine fehlerfreie Übertragung gewährleistet. Schicht 3 ist die Vermittlungsschicht, in der Pakete an verschiedene Netzwerke weitergeleitet werden. Schicht 2 ist die Sicherungsschicht, in der Informationen mithilfe von MAC-Adressen und Switching von einem Gerät an ein anderes gesendet werden. Die letzte Schicht 1 ist die Bitübertragungsschicht, die alle für die Übertragung benötigten elektrischen, mechanischen und funktionalen Medien (d. h. Kabel und Übertragungsfrequenz) und all ihre Anforderungen, beispielsweise Pins, Spannungen und Leistungsparameter umfasst.

Falls Sie sich das gerade fragen: Das Internet-Protokoll (IP) verwendet Pakete, die auf Schicht 3 übertragen werden. Ethernet-Frames werden in IP-Pakete eingeschlossen, indem im Datenfeld zusätzliche Informationen eingebunden werden, die IP-Adressen enthalten. Sobald dieses Paket seinen Netzwerk-Switch erreicht hat, übernimmt Schicht 2 und überträgt Frames basierend auf der jeweiligen MAC-Adresse des Geräts. Stellen Sie es sich so vor: Eine IP-Adresse identifiziert ein Gerät im Internet, daher wird sie als Paket auf Schicht 3 übertragen.  Wenn mehrere Geräte sich im selben Netzwerk befinden, ist ein Teil ihrer IP-Adresse gleich. IP-Adressen können sich auch ändern, wenn ein Gerät in ein anderes Netzwerk verlegt wird.  MAC-Adressen identifizieren die tatsächliche einzigartige Netzwerkkarte eines Geräts und werden als Frames auf Schicht 2 übertragen. Mehrere Geräte, die sich im selben Netzwerk befinden, besitzen keine MAC-Adressen, die sich auf irgendeine Weise ähneln. MAC-Adressen werden vom Hersteller festgelegt und ändern sich niemals.

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